Evidence of mass transfer limitation in the composting process

In general, it is assumed that hydrolysis of solid substrate is the limiting stage in the composting process. Since composting is an aerobic process, oxygen availability is of special importance.

Oxygen transfer in the gas phase is often neglected since oxygen solubility in water is low and thus main resistance to mass transfer is found in the diffusion and solubility in the liquid phase. Therefore no literature values can be found for oxygen mass transfer coefficient from the gas phase to the biofilm (kGaO2).
Several composting experiments have been undertaken in order to better understand process dynamics and mass transfer phenomena. Four different wastes were studied: animal by-products (ABP), source-selected organic fraction of municipal solid waste (OFMSW), mixed municipal solid waste (MSW) and raw sludge (RS).
Processes undertaken at pilot scale were forced to reach the totality of possible oxygen and temperature conditions at different stages by means of airflow manipulation. The biological activity was indirectly measured on-line as oxygen uptake rate (OUR) in terms of (g O2 h-1). The experimental results in the initial stages always showed important variations in OUR due to the influence of airflow changes. This behaviour led to the hypothesis that oxygen transfer limitation in the gas phase appears in periods of high biological activity (initial stages), whereas biological activity was the controlling step at the final stage of the composting processes.
In order to confirm the hypothesis new experiments were designed to determine the oxygen transfer coefficient values as a function of aeration rate. These experiments were carried out at laboratory scale for all wastes studied. Firstly, wastes were sterilized to avoid the influence of possible changes in the biological activity. A strong reducing agent solution was added to each waste to ensure near-to-zero oxygen concentration in the biofilm. In the range of airflows applied (10 to 150 ml min-1) it was possible to calculate kGaO2 applying the two-film theory, obtaining values from 0.33 to 10.45 h-1.
The dependency of kGaO2 with aeration rate was correlated both to the specific airflow and the airflow applied per volume of free air space in the reactor (VVM) obtaining four power equations in each case. Firstly, different trends were observed when correlating kGaO2 with specific airflow for each material studied. However when correlating kGaO2 with VVM, similar correlations were found for all wastes, except for MSW which was less influenced by the airflow variations due to the presence of non-biodegradable materials. Consequently, the dependency between kGaO2 and VVM can be described by kGaO2=16.4·VVM1.22 for practically all organic wastes.
Once the correlation was established, it was possible to obtain the oxygen concentration in the liquid phase (biofilm). The evolution of oxygen concentration in the biofilm was determined for each waste at pilot scale by using the obtained results in the previous experiments. Oxygen concentration in the biofilm varied with time following an inverse trend to that of OUR. When maximum OUR was achieved (initial stages), a negligible oxygen concentration in the biofilm was obtained. In the latter stages of the process the low biological activity became the limiting step as demonstrated by the increase of dissolved oxygen in the biofilm. This confirmed that mass transfer limitation occurred at the initial stages of the process when easily biodegradable organic matter is available and biological hydrolysis rate is high.



Copyright: © European Compost Network ECN e.V.
Quelle: Orbit 2008 (Oktober 2008)
Seiten: 11
Preis inkl. MwSt.: € 9,50
Autor: B. Puyuelo
Teresa Gea
E. Pagans
Dr. Antoni Sánchez

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